管道磁检测缺陷磁场的ANSYS仿真研究

曲杰+姜琳+高春利

摘 要：针对海底管道检测中的缺陷磁场的特点，本文基于数值求解的方法，利用ANSYS软件对缺陷磁场进行有限元分析。并通过ANSYS软件采用控制单一变量法对漏磁场的影响因素进行了分析，得到了缺陷尺寸对磁场的影响情况。

关键词：ANSYS仿真；缺陷磁场；缺陷尺寸

中图分类号：TG441.7 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）10-0060-01

Abstract：In view of the characters of defective magnetic field， based on the numerical solution， the finite element analysis of the defective magnetic field is carried out by ANSYS software. Through the ANSYS software， the influencing factors of the leakage magnetic field are analyzed by using the control variables method， and the influence of the defect size on the magnetic field is obtained.

Key words：ANSYS simulation， Defective field， defect size

1 引言

管道运输目前已经成为最主要的油气运输方式，磁检测法被认为是的最有效的方法之一，国内外很多科学家对磁检测法进行了研究[1-4]，最常用的励磁方式是永磁磁铁励磁。缺陷磁场需采用模拟方法进行分析。数值法[5]是基于求解麦克斯维方程的一种分析方法，有很多不同的分支，最具代表性的是有限元法。ANSYS是当前应用最广泛的软件之一，它是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析系统，已广泛应用于航空航天、机械、能源、电工、土木工程等领域[6-8]。有限元软件的仿真分析可分为三个阶段：前处理、处理和后处理。本文将基于ANSYS软件的仿真结果，对影响管道磁检测缺陷磁场的因素进行分析。

2 ANSYS仿真

2.1 建立缺陷检测的三维模型

管壁上的绝大多数缺陷是点状缺陷或面状缺陷，为研究缺陷宽度对所检测到磁信号的影响，需要建立三维有限元模型。本文采用实体建模法建立三维缺陷检测模型，包括被检测对象的部分管壁（取管壁圆周的1/24，即15°），励磁结构永磁铁，还有其余的磁路部分有軛铁、导磁体和缺陷上方及装置周围的空气场。

2.2 单元类型，材料属性及网格划分

单元类型：本次分析采用永磁铁励磁方式，定义SOLID96单元为本次分析所选定的单元类型；相对磁导率：由材料磁特性手册知，永磁体的相对磁导率为1.05；矫顽力：N45永磁铁的矫顽力876KA/m，进行实物材料属性的测量后，绘制磁滞回线知永磁铁的矫顽力为8776.76833Oe；轭铁、导磁体、管壁：轭铁及导磁体采用导磁率较高的电磁纯铁DT4E，由材料磁特性手册知其相对磁导率为12016。电磁纯铁和管壁的磁特性都是非线性的，需对其定义B-H磁特性曲线；空气：由铁磁性材料磁特性手册知，空气的相对磁导率为1.0。

智能网格划分中的水平控制设置10个等级，网格划分越精细，计算结果精度就越高，但是计算时间却大幅增加。

2.3 求解

磁检测的ANSYS仿真求解计算的迭代过程曲线如图1所示。

由图1可知，蓝色曲线是收敛准则，红色曲线是当前迭代位移收敛情况，两线相交表示计算收敛，即求解计算成功。

3 缺陷长度变化对漏磁场的影响

利用ANSYS有限元分析软件的后处理器来定义路径，提取规定路径上的磁场分布情况，改变缺陷长度来分析其对磁感应强度的空间漏磁场分布的影响，由于周向分量始终没有明显变化，所以我们提取路径上获得缺陷磁场磁通量密度的径向和轴向分量。设定缺陷长度变化范围1～21mm。改变缺陷长度的磁感应强度轴向分布曲线如图2所示。

由图2中可知，当缺陷的深度一定时，磁感应强度轴向分量的谷间距离随着缺陷长度的增大而增大，所以谷间距同缺陷的长度存在固定的关系。轴向曲线由单峰变为双峰，且峰值越来越小。

4 结语

本文基于数值求解的方法，利用ANSYS软件对缺陷磁场进行有限元分析。并且根据ANSYS仿真结果分析了缺陷尺寸和提离值各自对磁场的影响。结果显示当缺陷的长度固定时，磁感应强度轴向分量峰值随着缺陷深度的增加而增加，磁感应强度轴向分量的峰值与缺陷的深度存在着固定的关系。

参考文献

[1]李珍国，王红斌，王江浩.基于电流波形检测法的开关磁阻电动机无位置传感器控制[J].电工技术学报，2016，31（11）：97-100.

[2]S. Kathirmani， A.K. Tangirala， S. SahaS. Mukhopadhyay. Inverse mapping of magnetic ux leakage signal for defect characterization [J]， NDT & E International， 2012， 50（9）：1-9.

[3]Minkov D，Takeda Y， Shoji T，et al. Estimating the sizes of surface cracks based on hallelement measurements of the leakage magnetic field and a dipole model of a crack[J]. Applied Physics a-Materials Science&Processing. 2002， 74（2）：169—176.

[4]刘金海，付明芮，唐建华.基于漏磁内检测的缺陷识别方法[J].仪器仪表学报，2016，37（11）：2572-2577.

[5]马青山，骆祖江.解析法和数值法在矿井涌水量预测中的比较[J].矿业安全与环保，2015，42（4）：62-67.

[6]王海燕，赵玲，王明.基于ANSYS的跨越管道的有限元分析[J].辽宁石油工业大学学报，2016，32（2）：25-27.

[7]戴光，孙立强，杨志军，崔巍.圆筒形容器漏磁内检测ANSYS仿真分析与试验[J].无损检测，2013，35（3）：25-29.

[8]曹洪鹏，徐海兵，崔小凡.基于ANSYS的托管架有限元分析[J].船舶工程，2016，38（S1）：121-123.